아스타틴

3. 특징

아스타틴은 극도로 방사성이 강한 원소이며, 모든 동위원소는 8.1시간 이하의 반감기를 가진다.^[4] 짧은 반감기로 인해 무게를 잴 수 있는 양을 생성하기 어려워 덩치 특성은 확실하게 알려져 있지 않다.^[5][76] 일반적으로 비금속 또는 준금속으로 분류되지만, 금속 형성이 예측되기도 한다.^[2][8]

물리적 성질은 이론적 추정 또는 경험적 유도 방법을 통해 추정되며,^[9] 할로겐족의 경향에 따라 흑색 고체 또는 금속성 외관을 가질 것으로 예측된다.^[10][11][12] 아스타틴은 아이오딘보다 덜 승화하며 더 낮은 증기압을 갖는다.^[5] 고체 아스타틴의 구조는 알려져 있지 않으며,^[14] 아이오딘의 유사체로 사방정계 결정계를 가질 수 있다는 주장과^[26][15] 면심 입방 격자 구조를 가질 수 있다는 주장이 있다.^[2] 이원자 분자(At₂)의 존재에 대한 증거는 희소하고 결정적이지 않다.^[16][17][18]

화학적 성질은 극도로 낮은 농도, 방사능 부산물, 기타 나노 규모의 상호 작용으로 인해 불확실하며,^[26] 추적자 연구를 통해 관찰되었다.^[23][27] 음이온 형성 등 일부 특성은 다른 할로겐 원소와 일치하며,^[5] 음극에 도금되는 것과^[29] 염산에서 금속 황화물과 공침되는 것과 같은 일부 금속 특성도 가지고 있다.^[31] 전기 음성도는 수정된 폴링 척도에서 2.2로, 요오드보다 낮고 수소와 같다.^{[33][34][35][36]} 전자 친화도는 233 kJ mol⁻¹로 요오드보다 21% 낮다.^[39]

4. 화합물

아스타틴은 요오드보다 반응성이 낮고, 할로겐 중에서 가장 반응성이 낮다. 아스타틴 화합물은 나노 규모의 양으로 합성되었으며, 방사성 붕괴 전에 가능한 한 집중적으로 연구되었다. 관련된 반응은 일반적으로 더 많은 양의 요오드와 혼합된 아스타틴의 희석 용액으로 테스트되었다. 운반체 역할을 하는 요오드는 실험 기술(여과 및 침전)이 작동할 수 있는 충분한 물질을 보장한다.^[62][42] 요오드와 마찬가지로 아스타틴은 -1에서 +7까지의 홀수 산화 상태를 취하는 것으로 나타났다.^[43]

나트륨,^[76] 팔라듐, 은, 탈륨, 납의 아스타티드 형태로 금속과의 화합물은 몇 가지만 보고되었다.^[76]

5. 동위 원소

아스타틴은 질량수가 188, 190–229인 41개의 알려진 동위 원소를 가진다.^[74][73] 이론적으로 약 37개의 동위 원소가 더 존재할 수 있다.^[74] 안정적이거나 오래 지속되는 아스타틴 동위 원소는 관찰되지 않았으며, 존재할 것으로 예상되지도 않는다.

아스타틴의 알파 붕괴 에너지는 다른 무거운 원소와 같은 경향을 보인다. 가벼운 아스타틴 동위 원소는 알파 붕괴 에너지가 매우 높으며, 핵이 무거워짐에 따라 낮아진다. 아스타틴-211은 이전 동위 원소보다 에너지가 상당히 높은데, 이는 126개의 중성자를 가진 핵을 가지고 있으며, 126은 채워진 중성자 껍질에 해당하는 마법수이기 때문이다. 아스타틴-210 (8.1 시간)과 아스타틴-211 (7.2 시간)은 반감기가 유사하지만, 알파 붕괴 확률은 아스타틴-211이 훨씬 더 높다(41.81% 대 0.18%).^[4] 아스타틴-213은 가장 많은 에너지를 방출하며, 수명이 가장 짧다. 무거운 아스타틴 동위 원소는 더 적은 에너지를 방출하지만, 베타 붕괴 (전자 방출)의 역할이 증가하기 때문에 오래 지속되는 아스타틴 동위 원소는 존재하지 않는다. 1950년 초에는 모든 아스타틴 동위 원소가 베타 붕괴를 겪는다고 가정했지만,^[75] 핵 질량 측정을 통해 ²¹⁵At가 베타 안정적인 것으로 나타났다.^[4] 아스타틴-210과 대부분의 가벼운 동위 원소는 베타 플러스 붕괴(양전자 방출)를 나타내고, 아스타틴-217 및 아스타틴-218을 제외한 더 무거운 동위 원소는 베타 마이너스 붕괴를 나타내며, 아스타틴-211은 전자 포획을 겪는다.

가장 안정적인 동위 원소는 아스타틴-210으로, 반감기는 8.1 시간이다. 주요 붕괴 모드는 베타 플러스이며, 비교적 오래 지속되는 알파 방출체인 폴로늄-210으로 붕괴된다. 아스타틴-207 ~ -211 동위원소는 1시간 이상의 반감기를 갖는다. 가장 불안정한 바닥 상태 동위 원소는 아스타틴-213으로, 반감기는 125 나노초이며, 알파 붕괴를 거쳐 매우 오래 지속되는 비스무트-209가 된다.^[4]

아스타틴은 24개의 알려진 핵 이성질체를 가지고 있는데, 이는 여기 상태에 있는 하나 이상의 핵자(양성자 또는 중성자)를 가진 핵이다. 각 동위 원소마다 하나 이상의 이성질체가 있을 수 있다. 가장 안정적인 핵 이성질체는 아스타틴-202m1로, 반감기는 약 3분이며, 이는 203–211 및 220 동위 원소를 제외한 모든 바닥 상태보다 길다. 가장 불안정한 것은 아스타틴-213m1이며, 반감기 110 나노초는 아스타틴-213의 125 나노초보다 짧다.

5. 1. 아스타틴-211

6. 자연계에서의 발생

아스타틴은 자연적으로 존재하는 원소 중 가장 희귀한 원소이다.^[5] 지구 지각에 존재하는 아스타틴의 총량은 어떤 시점에서도 1g 미만으로 추정된다.^[98]

지구 형성 시기에 존재했던 아스타틴은 오래전에 사라졌다. 네 개의 자연 발생 동위 원소(아스타틴-215, -217, -218, -219)^[4]는 방사성 토륨 및 우라늄 광석의 붕괴와 미량의 넵투늄-237의 결과로 지속적으로 생성된다. 북아메리카와 남아메리카의 육지를 합하여 깊이 16km까지를 보면, 어떤 시점에도 약 1조 개의 아스타틴-215 원자(약 3.5e-10g)만 존재한다.^[78] 아스타틴-217은 넵투늄-237의 방사성 붕괴를 통해 생성된다. 넵투늄-237은 214만 년의 비교적 짧은 반감기로 인해 더 이상 지구에 존재하지 않지만, 우라늄 광석에서 변환 반응의 결과로 미량 발생한다.^[79] 아스타틴-218은 자연에서 발견된 최초의 아스타틴 동위 원소였다.^[4] 반감기가 56초인 아스타틴-219는 자연적으로 발생하는 동위 원소 중 가장 오래 산다.^[4]

7. 합성

아스타틴은 에너지 알파 입자로 비스무트-209를 충돌시켜 생성되며, 이는 비교적 수명이 긴 아스타틴-209에서 아스타틴-211까지의 동위원소를 생성하는 데 사용되는 주요 경로이다.^[97] 아스타틴은 극소량으로만 생성되며, 최신 기술을 통해 최대 6.6 기가베크렐(약 86 나노그램)의 생산이 가능하다.^[97]

더 많은 양의 아스타틴을 합성하는 것은 적절한 사이클로트론의 가용성이 제한적이고 표적을 녹일 가능성으로 인해 제한된다.^[97][90] 아스타틴 붕괴의 누적 효과로 인한 용매 방사선 분해^[85]가 관련 문제이다. 저온 기술을 사용하면 토륨 또는 우라늄에 양성자를 조사하여 마이크로그램의 아스타틴을 생성하여 라돈-211을 생성하고, 이는 다시 아스타틴-211로 붕괴될 수 있다. 이 방법의 단점은 아스타틴-210과의 오염이 예상된다는 것이다.^[86]

가장 중요한 동위원소는 상업적으로 사용되는 아스타틴-211이다. 비스무트 표적을 생성하기 위해 금, 구리 또는 알루미늄 표면에 제곱센티미터당 50~100밀리그램의 금속을 스퍼터링한다. 산화 비스무트를 대신 사용할 수 있으며, 이는 구리판과 강제로 융합된다. 표적은 화학적으로 중성적인 질소 분위기^[87]에서 유지되며, 조기 아스타틴 증발을 방지하기 위해 물로 냉각된다. 사이클로트론과 같은 입자 가속기^[88]에서 알파 입자는 비스무트와 충돌한다. 단 하나의 비스무트 동위원소(비스무트-209)만 사용되지만, 반응은 세 가지 가능한 방식으로 발생하여 아스타틴-209, 아스타틴-210 또는 아스타틴-211을 생성할 수 있다. 원치 않는 핵종을 제거하기 위해 입자 가속기의 최대 에너지는 아스타틴-211을 생성하는 반응(원하는 동위원소를 생성하기 위해)보다 높고 아스타틴-210을 생성하는 반응(다른 아스타틴 동위원소의 생성을 피하기 위해)보다 낮은 값(최적 29.17 MeV)^[89]으로 설정된다.

7. 1. 분리 방법

8. 용도 및 주의 사항

새롭게 생성된 아스타틴-211은 핵의학 분야에서 연구가 진행 중이다. 반감기가 7.2시간으로, 다단계 표지 전략에 사용될 수 있을 만큼 충분히 길다. 아스타틴-211은 표적 알파 입자 치료에 잠재력이 있는데, 알파 입자를 방출하여(비스무트-207로) 매우 빠르게 안정적인 딸핵종인 납-207에 도달하기 때문이다.^[94] 전자 포획 결과로 방출되는 폴로늄 X선(77–92 keV)은 동물과 환자에서 아스타틴을 추적할 수 있게 한다. 아스타틴-210은 반감기가 약간 더 길지만, 폴로늄-210으로의 베타 플러스 붕괴 때문에 부적합하다.^[95]

아스타틴-211과 요오드-131의 주요 의학적 차이점은 요오드-131은 고에너지 베타 입자를 방출하지만 아스타틴은 그렇지 않다는 것이다. 베타 입자는 알파 입자보다 조직을 더 잘 관통한다. 아스타틴-211이 방출하는 평균 알파 입자는 주변 조직을 최대 70 μm까지 이동할 수 있으며, 요오드-131이 방출하는 평균 에너지 베타 입자는 약 30배 더 멀리, 약 2 mm까지 이동할 수 있다. 짧은 반감기와 알파 방사선의 제한된 조직 관통력은 "종양 부하가 낮거나 악성 세포 집단이 필수적인 정상 조직과 근접한 경우"에 장점을 제공한다.^[97] 아스타틴-211 원자 1~10개가 세포당 결합된 세포 배양 모델에서 인간 암의 상당한 이환율이 달성되었다.

아스타틴 기반 방사성의약품 개발에는 몇 가지 장애물이 있었다. 제2차 세계 대전으로 인해 연구가 거의 10년 동안 지연되었다. 초기 실험 결과에 따르면 암 선택적 운반체가 개발되어야 했으며, 1970년대가 되어서야 단클론 항체를 사용할 수 있게 되었다. 요오드와 달리, 아스타틴은 분자 운반체로부터 탈할로겐화되는 경향을 보인다. 특히, sp³ 탄소 위치에서 더욱 그렇다. 아스타틴이 신체에 축적될 경우 독성이 있으므로, 아스타틴이 숙주 분자에 부착된 상태로 유지되도록 하는 것이 중요하다. 아스타틴 운반체가 천천히 대사되는 경우 효능을 평가할 수 있지만, 더 빠르게 대사되는 운반체는 핵의학에서 아스타틴을 평가하는 데 여전히 상당한 장애가 된다. 아스타틴으로 유도된 표지 화학 및 운반체 분자의 방사선 분해 효과를 완화하는 것 또한 추가적인 개발이 필요한 영역이다. 암 치료제로서 아스타틴의 실용적인 적용은 잠재적으로 "엄청난" 수의 환자에게 적합할 것이며, 필요한 양의 아스타틴 생산은 여전히 문제로 남아 있다.^[86][96]

동물 연구에 따르면 아스타틴은 요오드와 유사하게 - 비록 약간 더 금속적인 특성 때문에 덜하지만^[98] - 갑상선에 우선적으로 (그리고 위험하게) 농축된다. 요오드와 달리 아스타틴은 At^–가 At⁺로 체내 산화될 가능성 때문에 폐와 비장에 흡수되는 경향을 보인다.^[31] 방사성 콜로이드 형태로 투여하면 간에 농축되는 경향이 있다. 쥐와 원숭이를 대상으로 한 실험에서 아스타틴-211은 요오드-131보다 갑상선에 훨씬 더 큰 손상을 일으키며, 핵종을 반복적으로 주사하면 땀샘 내에서 괴사 및 세포 이형성증이 발생한다. 초기 연구에 따르면 아스타틴을 암컷 설치류에 주사하면 유방 조직에 형태적 변화가 발생한다고 한다.^[99] 나중에는 유방 조직 방사선 조사와 난소 방사선 조사로 인한 호르몬 변화의 영향이 결합되어 발생했을 가능성이 높다는 데 일반적으로 동의했다.^[100] 소량의 아스타틴은 통풍이 잘 되는 흄 후드에서 안전하게 취급할 수 있으며, 원소의 생물학적 흡수를 피해야 한다.^[20]

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